甲烷气体检测技术及其在煤矿中的应用.pdf

第 卷第 期煤 炭 科 学 技 术 年 月 移动扫码阅读 梁运涛，陈成锋，田富超，等甲烷气体检测技术及其在煤矿中的应用煤炭科学技术，，（） ， ， ， ，，（） 甲烷气体检测技术及其在煤矿中的应用 梁运涛，，，陈成锋，，，田富超，，，王敬燕，， （煤炭科学研究总院，北京 ； 中煤科工集团沈阳研究院有限公司 煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 沈抚示范区 ； 中国矿业大学（北京） 应急管理与安全工程学院，北京 ） 摘 要瓦斯灾害是制约煤矿安全生产的主要灾害之一，而甲烷是瓦斯的主要成分，因此对甲烷浓度 的准确检测对有效预防预警瓦斯灾害意义重大。 基于甲烷物理化学性质的差异性特征概述了催化燃 烧法、热导法、光干涉法、非分散红外光谱法和可调谐半导体激光光谱法的甲烷检测原理，探讨了不同 原理的甲烷检测技术发展现状。 在煤矿环境对甲烷检测技术的影响分析基础上，通过煤矿井下技术 应用对比研究得出催化燃烧法利用甲烷可燃性特征，适用于检测体积分数 以下的甲烷，不适用 于氧气浓度过低、甲烷浓度过高或存在含硫气体的井下环境；热导法利用含不同浓度甲烷的空气热导 率的不同特征，适用于检测体积分数 以上的甲烷，不适用于甲烷浓度低、二氧化碳浓度过高等井 下环境；光干涉法利用含不同浓度甲烷的空气折射率的不同特征，适用于井下绝大部分环境，但不适 用于二氧化碳浓度过高的井下环境；红外光谱法利用甲烷的气体选择性吸收的特征，适用于绝大部分 井下环境，其中非分散红外光谱法受水蒸气、烷烃气体干扰，需进行算法优化以减小误差，而可调谐半 导体激光光谱受其他气体干扰影响较小，但两者皆需采用补偿算法来减少受温湿度影响引起的误差。 最后，对不同原理的甲烷检测方法进行了技术适用性综合对比分析，以期对煤矿甲烷检测技术的应用 提供借鉴指导意义。 关键词煤矿瓦斯；甲烷浓度；气体检测；技术适用性 中图分类号 文献标志码 文章编号（） ，，， ，，， ，，， ，， （ ， ； ， ， ，； ， ， ，） 收稿日期；责任编辑王晓珍 基金项目国家重点研发计划资助项目（）；国家自然科学基金面上资助项目（）；辽宁省自然科学基金资助项目（ ） 作者简介梁运涛（），男，河北晋州人，研究员，博士生导师，中国煤炭科工集团一级首席科学家。 通讯作者陈成锋（），男，浙江绍兴人，硕士研究生。 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ； 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 梁运涛等甲烷气体检测技术及其在煤矿中的应用 年第 期 ， ； ， ， ， ， ， ， ； ； ； 引 言 煤矿瓦斯灾害由于发生次数多、危害程度大，造 成大量人员伤亡和巨大经济损失，威胁煤矿的安全 生产。 根据国家矿山安全监察局公布的历年煤矿灾 害事故数据， 年由煤矿瓦斯引发的爆炸、 突出等重特大事故共 起，很多事故原因都是在进 行作业前未检测瓦斯浓度。 气体检测技术是预防预 警瓦斯灾害的主要途径之一，瓦斯成分中 左 右是甲烷（）气体，因此煤矿井下通过检测 浓度来近似表示瓦斯浓度，从而达到预警目的。 煤矿安全规程 规定，当甲烷传感器设置地 点的 体积分数达到 、、等特定值 时，需要做出报警、断电等反应。 目前，应用于煤矿 井下甲烷浓度检测的技术原理主要包括催化燃烧 法、热导法、光干涉法、非分散红外光谱（）、可 调谐半导体激光吸收光谱（）。 由于煤矿环 境主要存在煤尘大、温度差异大、湿度大、电磁干扰、 气体成分复杂等影响因素，会对甲烷检测技术的测 量精度、测量稳定性等性能产生不利影响，造成测量 结果不准确甚至错误。 因此，笔者从甲烷检测技术 原理出发，详述了技术发展现状及研究重点，深入分 析了在煤矿环境下的共性影响及各检测技术的应用 范围，综合对比了不同原理甲烷检测方法的技术适 用性及优缺点，以期对煤矿井下甲烷检测技术的应 用和发展提供借鉴。 甲烷检测技术发展现状 不同甲烷检测技术利用甲烷的不同物理化学性 质（表 ）实现定量检测，因此技术性能大不相同，例 如检测范围、测量误差、选择性（抗其他气体干扰） 等性能指标，在煤矿井下具有不同的适用性。 催化燃烧法 催化燃烧法（图 ）通过催化剂降低 点燃温 表 甲烷物理化学性质 相对密度 （空气） 爆炸上 限 爆炸下 限 折射 率 导热系数 （ ） 引燃温 度 燃烧热 量 （ ） 度至 ，催化元件的起始工作温度 左右，环境中的 通过扩散的方式进入气室，在充 足的氧气氛围条件下以无焰的方式进行燃烧，产生 的热量会使催化元件内的铂丝线圈温度升高，从而 阻值上升，电信号发生变化，可通过惠斯顿电桥来测 量此电信号。 在 体积分数不超过 的情况 下，电信号输出值与甲烷浓度呈现良好的线性关系。 图 催化燃烧式检测 催化燃烧式传感器的研究目前主要集中于催化 元件中的催化剂和载体。 催化剂主要分为贵金属和 非贵金属。 贵金属以钯（）应用最为广泛，担 载方式等制备条件会影响 在载体表面的形貌， 进而影响催化活性和传感器性能。 采用等体积浸渍 法为担载方式制备的催化剂应用于传感器中，表现 出对 灵敏度高、响应恢复速度快等良好特 性。 同时也可添加不同比例的助剂如 、 等提高催化活性。 非贵金属的耐热性较好，主 要分为钙钛矿型、六铝酸盐类及过渡金属氧化 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 物，应用结果表现出了很好的催化活性和热稳定 性。 载体以 应用最为广泛，但在高温条件下 易烧结，因此新载体的研究是必要的。 通过纳米 技术制备了具有纳米结构的载体，加强了载体的 密度和强度，提高了传感器的检测范围和灵敏度。 具有比表面积大等特点的介孔材料制备成载体， 可限制催化剂劣化积聚，对其制成的传感器进行测 试，表现出更高的灵敏度。 热导法 和空气的导热系数分别为 、 （），热导式传感器（图 ）以 的导热系 数大于空气的导热系数为检测依据。 电流加热传感 器内敏感元件使其达到一定的温度，当 进入到 气室内，由于散热能力比空气强，造成敏感元件温度 下降，使其阻值减小，从而输出电压产生变化，通过 惠斯顿电桥来测量变化值，进而得到 浓度。 热导式传感器检测精度、灵敏度易受到敏感元 件温度、环境温度、环境湿度等因素的影响，为了降 低各因素产生的测量不确定性，需通过硬件或软件 算法设计实现补偿。 硬件方面，一般采用可变电流 源的恒温检测技术代替恒定电流源的恒流检 测，保持敏感元件温度不变，而可通过电流变化数值 反映导热系数大小，进而检测出 浓度。 软件方 面，可引入神经网络等算法，拟合温度变化引起 的非线性误差，实现温度补偿，得到补偿后的 浓 度。 针对处于爆炸下限的 热导检测，提出了采 用微加热器，高温引起 热导率相对增加，可 获得体积分数为 的 约 的高灵敏度。 图 热导式检测 光干涉法 与 空 气 的 折 射 率 分 别 为 、 ，光干涉式原理依据 与空气的折射率 不同，光在 种不同气体介质中运动的路程不同，形 成光程差，从而使原干涉图样发生移动，偏移量与折 射率的变化有关，而折射率的变化与 浓度具有 一定的关系，即偏移量与 浓度之间，呈现较好的 线性关系。 光干涉式甲烷测定器产生条纹的光学结构是基 于雅明（）干涉仪的改进形式，直至目前仍沿用 图 光干涉式检测 该光学结构，通过平面镜相较底座约 的小角度 后倾调整，或增加补偿棱镜来产生初始干涉条 纹。 浓度的获取方法是通过目读条纹所在 的标尺位置，此读数形式存在主观性，未实现统一 的客观标准。 因此，采用电荷耦合元件 、 互补金属氧化物半导体 等图像采集元件 或光敏元件结合现场可编程逻辑门阵列 或复杂可编程逻辑器件 等平台芯片替代 目镜对干涉条纹进行高精度和非接触式数字化测 量，获取零级条纹信息及气体通入后的位移情况， 实现 浓度的精确测量，从而形成统一的读数 标准，消除由于人为判识不一致而引入的误差。 需设计算法分析 采集的白光零级条纹灰度信 息，常用的零级条纹定位算法有最大值法、质心法 和包络拟合法，后 种算法都可达到亚像素 级别，可实现零级条纹的精确定位。 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 梁运涛等甲烷气体检测技术及其在煤矿中的应用 年第 期 红外吸收光谱法 气体分子的选择性吸收可以表述为不同结 构的气体分子会吸收不同波长的光，导致特定波 长的光能量衰减，从而产生相对应的吸收光谱图， 该过程符合 定律。 利用 在中红 外区和近红外区的吸收谱图，分别衍生出 和 。 （图 ）主要由红外光源、探测器等硬件和 信号、数据处理等软件算法组成，利用 在 波长处的中红外区产生的红外吸收光谱进行浓 度检测。 红外光源一般选用低频电调制、高频调制、 稳态等光源，现研究量子级联激光器（）等相 干光源的应用。 探测器以热释电型等基于热效应的 红外热探测器应用最广，现逐渐应用基于光电效应 的红外光子探测器，具有更高的探测率。 针对其 他气体干扰及温湿度的影响，需提出算法来减小测 量误差。 通过引入神经网络、支持向量机、多参 数模型、最小二乘等算法，修正由温度、湿 度、压力、气体重叠吸收、随机噪声等因素导致的非 线性误差，算法补偿前后的气体浓度测量结果显示 经过补偿后的传感器精度、稳定性都得到了较大的 提升。 图 检测 （图 ）采用光强稳定、高度相干的激光 作为光源，可通过驱动系统改变激光的工作温度和 电流来调谐波长，利用 在 波长处的近 红外区产生的红外吸收光谱，浓度计算方法在高浓 度范围（）采用直接吸收检测技术，微量、痕 量气体检测采用波长调制技术（）结合谐波检 测技术。 目前主要研究谐波技术检测含浓度信 息的微弱信号来降低检测下限，可通过激光器温度 和电流高精度控制与补偿、空芯光子晶体光 纤等气室设计、数字锁相放大算法设计、谐波 信号处理算法设计、最小二乘等温湿度补偿算法 设计等多种软硬件技术，提取有用的痕量浓度信 息，抑制系统噪声干扰、温度、湿度等影响，实现高精 度、高灵敏度的 检测。 图 检测 煤矿甲烷检测技术应用现状 煤矿环境对甲烷检测技术的影响分析 煤矿井下环境复杂多变，且不同地点的环境条 件相差较大，会对甲烷检测技术的应用产生不同程 度的影响，而不同原理的检测技术，其应用地点也有 所差异。 煤矿井下环境会从以下 个方面来影响检 测技术的应用效果质量浓度 煤 尘。 煤尘是采煤过程中的必然产物，当量直径 以下的小颗粒煤尘会浮于空气中，形成气 溶胶。 气体检测需要对检测地点的气体环境进行气 样采集，气样成分中的煤尘颗粒会随着气体进入到 传感器内部，并且逐渐累积。 若累积的煤尘颗粒覆 盖传感器敏感元件，将导致传感器响应不及时、检测 结果偏差大等不良影响。 温度差异大。 煤矿 井下不同地点的温度条件有所区别，例如采掘工作 面与机电设备硐室的温度差可达 。 受不同 地点下的温度条件影响，同一检测技术的工作情况 并不相同，传感器具有其适宜的工作温度范围，若进 行气体检测的煤矿井下地点温度超过其适宜温度范 围，传感器将会发生漂移而产生误差。 以上 湿度。 煤矿井下由于煤岩之间存在矿井水、降温 除尘用水汽等原因，使得采掘工作面、回风巷等地点 的湿度可达到 。 在气体检测过程中，水汽随 着气体会进入到传感器检测单元，一方面若水汽具 有与气体相似的物理化学性质，则由水汽引发传感 器的读数会累积到气体浓度中，从而引入误差。 另 一方面，若水汽逐渐累积形成水滴，将导致传感器无 法正常检测，甚至损坏传感器。 电磁干扰。 煤 矿井下仪器设备众多，其中不乏大型电子设备设施， 大型设备在启动停止瞬间或正常运行期间，可能释 放电磁脉冲等干扰传感器正常工作的信号，增加 了噪声，尤其影响传感器采集某些可能反应气体 含量的微弱信号。 气体成分复杂。 井下空气除 含 之外，还存在 、、、煤自燃产生的 烷烃等气体。 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 应用现状分析 催化燃烧式传感器 催化燃烧式传感器只适合于检测低体积分数范 围（）的 ，原因在于若要输出正确的信号，需 要确保 能够完全燃烧，即要满足充足的氧气氛围 这一条件。 只有保证气样氛围中氧气浓度是 浓 度的 倍，气体才能完全燃烧。 因此，在煤矿井下 应用过程中，催化燃烧式传感器不适合应用于二氧化 碳等其他气体组分浓度过高导致氧气浓度过低的煤 矿井下地点，如盲巷等；催化燃烧式传感器由于存 在二值性，同样不适合应用于积聚或涌出等原因造成 瓦斯浓度过高的煤矿井下地点，如高瓦斯矿井、瓦斯 突出矿井的采掘工作面、进风巷、回风巷等地点。 催化燃烧式传感器利用催化元件来吸附并催化 ，催化元件很大程度决定了传感器能否正常工 作，而煤矿井下存在多个因素会造成催化元件失去 活性，其中硫中毒是重要的原因。 煤矿井下硫元 素主要存在形式是 、等含硫气体，含硫煤层 的氧化、硫化矿物的水解、高硫量炸药的使用等是 和 气体的共同来源。 井下废弃的采空区、 废巷等地点，由于之前的采煤作业或矿井水的涌入 而形成积水，积水的物质成分复杂，再加之长期未通 风，众多因素的作用导致环境中积聚了大量的 气体。 因而，催化燃烧式传感器不适合用于含硫煤 矿、废弃采空区、废巷等地点以及高硫量炸药使用后 通风不充分等情况的 浓度检测。 热导式传感器 热导法的原理使得该类传感器目前只适合于检 测高浓度范围的 气体，原因在于 与空气的 导热系数虽有差异，但相差不大，只有当浓度足够大 时，这种差异才能显现，信号才有明显的变化。 根据 煤矿安全规程，煤矿井下对于 浓度有着严格 的规定，大多数井下地点区域都明确规定若 体 积分数超过 ，则执行断电动作。 因此，热导式 传感器的应用范围较为有限，主要对瓦斯抽采管道 等 浓度高的地点进行检测，以及应用于瓦斯突 出矿井等 浓度超限可能性大的矿井、采区。 导热是气体的固有物理性质，不同的气体其导 热系数有所差异。 煤矿井下气体组分多样，而热导 式传感器的气体选择性较差，因此 以外的气体 均会影响检测结果，其中 为主要影响因素。 的导热系数是 （），为 导热系 数的 ，即体积分数 的 的输出值相当于体 积分数 的 。 因此，热导式传感器不适合 应用于 浓度过高的煤矿井下地点。 煤矿井下湿 度普遍较高，若样气湿度较大，将能通过导热带走热 量，输出值将累加到 浓度，使得检测结果出现误 差。 文献指出，体积分数 的 显示的 测量值可换算成 的 。 因此，样气在进入 至气室前必须经过除 、除湿的步骤。 光干涉式传感器 折射率是气体的固有物理性质，光干涉式传感 器通过含 的空气与参考气室中的空气的折射率 之间存在的差异计算 浓度。 若煤矿井下的空气 成分变化较大，则会得出不正确的读数结果。 煤矿 井下对于 等气体浓度都有规定，允许浓度较低， 因此影响光干涉式传感器测量结果的气体主要是 、、、。 与 的折射率相差不大， 即相同浓度的 和 所输出的测量值近似相 同，对 测量结果影响较大。 因而在煤矿 井下检测 过程中，气样必须先通过制备的药剂 吸收 和 。 但当 浓度过高，药剂无法充 分吸收 时将引入测量误差。 针对旧巷、采空区 等浓度过高的地点，需谨慎使用光干涉式传 感器检测 浓度。 的折射率与空气相差不大，浓度的增加并 不会直接影响计算结果，但却会导致 体积分数的 减小。 对于光干涉式传感器，体积分数每减小 的输出值相当于体积分数的 。 在煤 矿井下的采煤工作面上隅角、回风巷、疑似火区、密 闭区、注氮防灭火区等 浓度偏低的地点使用光干 涉式传感器检测 ，测量结果会产生较大误差。 庞庞塔煤矿由于采用注氮技术防治煤层自燃，使 得工作面上隅角的 浓度过高，导致 浓度降低， 造成仪器读数偏大。 新柳煤矿由于矿界区域内 煤层 浓度较高导致 浓度偏低，仪器检测结果产 生较大偏差。 除了气体影响外，压力和温度的变化 也会造成折射率的改变，从而产生误差。 非分散红外光谱 大部分煤矿都存在程度不一的煤自燃灾害，不 同阶段的煤自燃会释放不同的气体产物，其中就包 含烷烯烃气体。 波长左右的中红外区除存 在 的特征吸收峰外，等烷烯烃气体以及 也对该区域具有选择性吸收，从而测量得到的 结果与 实际浓度之间存在误差。 因此，需要进 行除湿消除 的含量，以及通过设计算法减少烷 烯烃在 的特征吸收对检测结果的影响。 超 化煤矿引进了 型红外甲烷传感器， 安装在 个回风巷外距回风口 位置，近一 个月的测试结果显示误差符合标准规定要求，且煤 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 梁运涛等甲烷气体检测技术及其在煤矿中的应用 年第 期 尘对传感器的影响较小。 可调谐半导体激光吸收光谱 所利用的 近红外区波长处不存在 烷烯烃、 等其他气体的特征吸收，即对于 气 体有较好的选择性，测量结果也更为准确。 在义安 矿井下的采掘工作面、回风巷等地点安装了改进 后的激光甲烷传感器， 年的井下运行结果表明，该类 型甲烷传感器基本不受温湿度、其他气体干扰，可长期 监测 浓度；在阳煤三矿的回采工作面等位置安 装了 激光甲烷传感器， 个月的监测数据显示 该传感器数据传输稳定，受温湿度影响较小。 技术适用性对比分析 ）催化燃烧法、热导法与光干涉法。 这 种原 理传感器作为煤矿井下用于检测 浓度的传统技 术，应用过程各有优缺点，应用范围也不相同。 催化 燃烧式传感器适合检测低浓度 ，而热导式传感 器相反，因此采用催化燃烧原理结合热导原理来测 量 全量程的 体积分数，克服单一原 理检测范围的局限。 但该结合形式却提出了其他新 问题，如由于 个原理不同，浓度与信号对应关系不 相同，导致在交界点进行检测时存在测量值不确定 问题，而且 个原理结合并没有提高检测精度，减小 检测误差。 相比于催化燃烧式和热导式，光干涉式 甲烷传感器的检测范围介于两者之间，测量误差比 两者小，除煤矿的共性影响外，不存在与两者相同的 缺点，因此能够应用于煤矿井下大多数的地点，应用 范围较两者广，但缺点在于需要人工读数，而且无 法输出电信号，目前不能与煤矿安全监控系统等 联用。 ）红外吸收光谱法与催化燃烧法。 近几年来， 煤矿井下逐渐引入红外吸收光谱法传感器来检测 ，部分替代催化燃烧式传感器等传统技术的检 测任务。 与传统 检测技术相比，红外吸收光谱 法存在很多优点更宽的检测范围、更小的检测误 差、更好的选择性和稳定性、更广的井下应用范围。 激光传感器与催化燃烧式传感器、高低浓 度传感器在成庄矿井下复杂环境的试验对比结 果显示， 对于混合气体中的 有着很好的 选择性，受供电变压器等电磁干扰源的影响较小。 此外，气体流速快慢会影响催化燃烧式传感器的测 量结果。 对 和催化燃烧式传感器在气体 流量为 、 时进行 次试验，结果表 明在 低流速条件下，催化燃烧式传感器 的测量值低于标准气体体积分数 。 ） 与 。 利用 检测技术测量 浓度时，由于其余烷烃气体以及 在中红外 区域内也有相应的吸收谱线，导致吸收谱线会产生 重叠，影响检测结果，因此需要对 气室进行防 水除湿处理。 而 在近红外区域内没有强的特 征吸收，因此在 检测技术所利用的吸收光谱 区域内，环境湿度对检测结果影响较小。 激光光源 相比于红外光源，在光源强度、稳定性、分辨率上更 有优势，测量准确度更高，但也相对昂贵。 ）综合对比。 煤矿井下甲烷检测技术对比见 表 。 表 煤矿井下甲烷检测技术对比 原理催化燃烧法热导法光干涉法 优点 输出信号易于处理 电路结构简单 价格低 体积小 结构简单 价格低 寿命较长 线性度较好 测量范围宽 灵敏度高 精度高 测量范围宽 灵敏度极高 精度极高 不受湿度影响 缺点 二值性 高浓度激活 易中毒 寿命短 测量精度低 选择性差 线性度不好 易受湿度影响 易受其他气体影响 易受温度压力影响 烷烃气体吸收谱线重叠 受温湿度影响 价格昂贵 检测范围 选择性较好差中好好 结 语 分析了催化燃烧法、热导法、光干涉法、、 共 种甲烷气体检测技术的原理、技术特 征、应用现状及技术适用性对比，总结及建议为待 测 体积分数低于 和高于 时，可分别采用 催化燃烧法、热导法，但需注意气体环境对测量精度 的影响；体积分数在 ，宜采用光干涉法； 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 体积分数在 ，宜采用 和 ， 应考虑测试环境温湿度影响引起的误差；并从优点、 缺点、检测范围、选择性等方面对比总结了煤矿井下 甲烷检测技术的技术适用性；我国煤矿甲烷检测虽 然在传感器技术、光谱吸收技术等方面基本满足了 煤矿井下日常检测需求，但是面对煤矿井下高温、高 湿、强电磁干扰环境、混合气体干扰大的复杂应用环 境，应针对不同的检测应用场景，加强各类 检测 技术在煤矿井下的实际应用效果考察，实现全量程 范围内 气体的快速定量检测，为有效预防煤矿 瓦斯超限引发的灾害及次生灾害提供基础支撑。 参考文献（） 胡千庭 预防煤矿瓦斯灾害新技术的研究 矿业安全与环 保，，（） ， ，（） 梁运涛，王连聪，罗海珠，等激波诱导瓦斯爆炸反应动力学计 算模型煤炭学报，，（） ， ， ， ，，（） 国家安全生产监督管理总局 煤矿安全规程北京煤炭 工业出版社， 苗飞飞，毛东森，郭晓明，等 甲烷催化燃烧催化剂的研究进展 应用技术学报，，（） ， ， ， ，，（） 张轶群 高性能燃烧催化剂的制备及其甲烷气敏特性的研究 长春吉林大学， ， ， ， ，，（） 詹瑛瑛，康亮，周玉常，等 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